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 미국 미네소타대학(University of Minnesota)의 한 연구팀이 최근에 태양전지의 효율성을 크게 높일 수 있는 새로운 방법을 개발하는 데 성공했다. 연구팀은 기존의 낮은 효율성의 해결할 수 있는 새로운 방법으로 전류의 생산을 26% 가량 끌어올릴 수 있게 되었다. 연구팀은 빛이 미세 구로 이루어진 층을 통해 여러 번 회절 과정을 거치는 동안 태양전지의 빛의 흡수율을 높일 수 있었다. 연구팀은 염료감응태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)라는 기술을 통해서 이를 실현하였다
염료감응형 태양전지는 식물이 광합성 작용을 통해 받은 태양에너지를 전자의 흐름으로 만들어내어 산화환원작용의 에너지로 쓰는 것과 같은 원리를 가진다. 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 나노 입자 반도체 산화물 전극에 태양빛이 흡수되면 염료분자는 전자를 내놓게 되는데 이 전자가 여러 경로를 통하여 투명 전도성 기판으로 전달되어 최종적으로 전류를 생성한다. 전기적 일을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다. 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조공정이 단순하며 그로 인해 전지의 가격이 실리콘 셀 가격의 20~30% 정도이다. 안정성이 매우 높아 10년 이상 사용하여도 초기 효율을 거의 유지한다. 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받는다. 그러나 변환 효율이 기존의 태양전지에 비해 현저히 낮다는 단점을 가지고 있으며 아직 상용화 단계에 이를 만큼의 충분한 연구가 이루어지지 않고 있다.
마이크로 입자와 나노미터의 층을 교차하는 방법으로 연구팀은 태양전지의 효율성을 향상시킬 수 있었다. 연구팀은 염료감응태양전지를 이산화티탄(titanium dioxide, TiO2)을 이용하여 만들었다. 감광성 물질인 이산화티탄은 기존의 실리콘 태양전지 소재보다 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 연구팀은 이러한 이산화티탄을 활용하여 에너지 효율성의 이론적인 한계에까지 접근하는 새로운 태양전지 소재를 만들 수 있게 되었다.
현재의 염료감응태양전지는 약 10% 정도의 효율성을 가지고 있다. 이러한 낮은 효율성의 이유 중의 하나는 스펙트럼의 적외선 영역이 태양전지 기판으로 흡수되지 못하기 때문이다. 새로운 태양전지는 태양전지에 흡수되는 빛의 경로를 증가시키는 방법으로 에너지의 변환 효율성을 높일 수 있게 되었다.
마이크로 미터 크기의 구로 채워진 셀들은 나노크기의 기공을 가진 샌드위치 층을 구성하고 있다. 미세한 구는 이산화티탄으로 만들어졌으며 이는 마치 핀볼기계의 단단한 범퍼 역할을 한다. 이를 통해서 광자는 여러 번 충돌 과정을 거치면서 셀들을 지나치게 된다. 광자가 마이크로 구와 반응하는 시간 동안에 작은 양의 전하가 생성된다. 샌드위치 구조의 경계면은 거울과 같은 역할을 하면서 전지의 효율성을 높이는 역할을 하면서 동시에 태양전지 내의 빛을 간직하는 시간을 높인다. 이는 결국 빛의 전기로의 변환 효율성을 높이는 결과를 만든다. 이러한 빛의 수확 효율성을 높이는 전략은 현재의 염료감응태양전지에 쉽게 집적될 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그림. 다공성의 미세구로 채워진 전극 사이로 산란되는 빛의 개략도
이번 연구결과는 J. Renewable Sustainable Energy에 “Layered mesoporous nanostructures for enhanced light harvesting in dye-sensitized solar cells”라는 제목으로 게재됐다.(doi:10.1063/1.3615641)
출처 : http://www.nanowerk.com/news/newsid=22267.php |